聚丙烯（PP）作為五大通用塑料之一，在各行各業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用，然而PP易燃的特點(diǎn)也限制了其應(yīng)用空間，阻礙了PP材料的進(jìn)一步發(fā)展，因此PP的阻燃改性一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

接下來我們就一起來看看以PP為代表的高分子材料燃燒過程與阻燃機(jī)理、阻燃PP的盤點(diǎn)、阻燃PP在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用展望以及目前存在的問題。

一 高分子材料的燃燒過程與機(jī)理

01 燃燒過程

高分子材料是指分子鏈上含有碳、氫、氧等元素的高分子化合物，大多數(shù)的高分子都是可燃的。高分子材料的燃燒是一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng)的綜合，因此在高分子材料的燃燒過程中會(huì)表現(xiàn)出熔融軟化、體積變化等特殊的現(xiàn)象。 高分子材料的燃燒過程如圖1所示，基本上可以分為以下三個(gè)步驟：

圖1 聚合物燃燒及阻燃示意圖

（1）隨著溫度的逐漸提高，分子鏈中比較弱的鍵就會(huì)發(fā)生斷裂，材料開始發(fā)生熱分解反應(yīng)。隨著高分子材料熱分解反應(yīng)的不斷進(jìn)行和加劇，材料表面逐漸產(chǎn)生小分子氣體，這些氣體大多數(shù)都是具有可燃性的，這些可燃性的小分子氣體與空氣中的氧氣混合從而形成了可燃性混合氣體；

（2）隨著分解反應(yīng)的進(jìn)行，高分子材料表面的混合氣體的可燃物濃度逐漸增大，當(dāng)混合氣體的可燃?xì)怏w濃度和外部環(huán)境溫度達(dá)到燃燒所需的臨界條件時(shí)，便會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，材料表面被迅速點(diǎn)燃；

（3）可燃性混合氣體快速燃燒，放出大量的熱，產(chǎn)生的熱量不僅會(huì)傳播到材料的底部，還會(huì)進(jìn)一步提高材料周圍環(huán)境的溫度，從而加速材料的分解，從而產(chǎn)生更多的可燃性氣體，最終使得燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。 因此，高分子材料的燃燒可以看成是一個(gè)逐步促進(jìn)、循環(huán)反應(yīng)的過程。

作為碳?xì)浠衔?，PP的氧指數(shù)僅為17.4，易于燃燒，阻燃性差，且燃燒時(shí)發(fā)熱較大，同時(shí)伴隨著滴落容易引起火災(zāi)，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。 在電子電器領(lǐng)域，PP的這個(gè)易燃特性限制了其更廣泛的應(yīng)用，因此有必要對(duì)PP材料進(jìn)行阻燃的研究開發(fā)。

02 阻燃機(jī)理

阻燃機(jī)理大致可分為兩類：連鎖反應(yīng)終止機(jī)理、表面隔絕機(jī)理和中斷熱交換機(jī)理。

（1）連鎖反應(yīng)終止機(jī)理PP燃燒時(shí)，先分解為烴，然后在高溫下進(jìn)一步熱氧化裂解為游離的HO·，HO·的連鎖反應(yīng)是燃燒得以持續(xù)燃燒的原因，而連鎖反應(yīng)的終止就是消耗燃燒過程中產(chǎn)生的 HO·。

（2）表面隔絕機(jī)理PP在燃燒時(shí)，阻燃劑不單吸收熱量，還會(huì)在PP表面上生成固態(tài)化合物，該化合物起到阻隔基體與空氣接觸的作用，從而阻止燃燒。

（3）中斷熱交換機(jī)理該機(jī)理指的是阻燃劑在燃燒過程中能夠吸收大量的燃燒熱，使燃燒反應(yīng)缺少足夠的熱量，進(jìn)而發(fā)生自熄現(xiàn)象，達(dá)到阻燃效果。

二 阻燃PP盤點(diǎn)

01 金屬氫氧化物阻燃劑

金屬氫氧化物阻燃劑中活性炭具有很大的比表面積，并且官能團(tuán)豐富，能夠很好地與氫氧化鈉鎂顆粒上的羥基結(jié)合，有效地削弱了氫氧化鎂表面極性，從而減少其發(fā)生團(tuán)聚的可能，提高了氫氧化鈉鎂與PP基體的相容性，使得材料的阻燃性能得到增強(qiáng)。

此外通過測(cè)試吸油值的變化，可以進(jìn)一步調(diào)整阻燃劑的最佳配比和最佳活化度，最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PP基體中加入25wt%活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑時(shí)，其極限氧指數(shù)達(dá)到最大值，為28.9%。

金屬氫氧化物阻燃劑，用于改善PP材料的阻燃性，并在此基礎(chǔ)上加入聚烯烴彈性體（POE和納米碳酸鈣CaCO 3 ，來提高材料的力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)果表明，改性后的PP復(fù)合材料可以同時(shí)擁有較強(qiáng)的阻燃性能和較高的力學(xué)強(qiáng)度。

02 硼系阻燃劑

在PP/BN@MGO復(fù)合材料中，由于BN@MGO阻燃劑的包覆結(jié)構(gòu)和烷基化改性，其烷基鏈接枝效率較高，碳元素可富集在填料表面，顯著地增強(qiáng)了BN@MGO阻燃劑與PP體之間的親和力，使之能均勻地分布于PP基體中。

同時(shí)改性處理BN@MGO具有曲折路徑效應(yīng)和高熱穩(wěn)定性，使得材料具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的阻燃性能，而這些特性能夠使PP/BN@MGO的復(fù)合材料在高效散熱電子設(shè)備、家用電器和熱管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

APP/MCA-K-ZB填加量為 25wt%時(shí)（APP/MCA-K-ZB質(zhì)量比為3/1），PP復(fù)合材料可達(dá)到UL-94測(cè)試中的V-0等級(jí)，而極限氧指數(shù)高達(dá)32.7%。

同時(shí)熱重分析（TGA）和掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試表明，APP/MCA-K-ZB的加入可以形成致密的石墨炭層，這種致密的炭層能有效地保護(hù)下面的PP基體免受進(jìn)一步燃燒，從而提高PP復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和成炭能力。

03 硅系阻燃劑

硅系阻燃劑中HNTs-Si能夠在高溫范圍內(nèi)保持原有的管狀結(jié)構(gòu)，并能夠與熱降解的PP鏈扭曲形成具有“纖維狀”的致密炭層，從而有效地抑制了PP燃燒時(shí)的傳熱、傳質(zhì)和傳煙。

并且聚硅氧烷能夠降低HNTs-Si表面的極性，而顯著增加了HNTs-Si與PP基材之間的相容性，而HNTs-Si和PP基體之間的裂紋橋接效應(yīng)又可以有效提高PP復(fù)合材料的延展性。

硅系阻燃劑中nano-Sb 2 O 3 由十六烷基三甲基溴化銨和聚乙二醇改性，OMMT由硅烷偶聯(lián)劑改性，在經(jīng)過球磨機(jī)預(yù)混后，采用熔融共混法制備了PP基阻燃復(fù)合材料。

結(jié)果表明，nano-Sb 2 O 3 顆粒與BPS具有良好的協(xié)同阻燃效果，兩者不僅本身就具有氣相阻燃作用，而且其反應(yīng)產(chǎn)物溴化銻（SbBr 3 ）也具有凝聚相阻燃作用。

同時(shí)蒙脫土可以形成阻隔效應(yīng)，不僅可以提高PP基復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，而且可以增加復(fù)合材料燃燒表面炭層的密度，從而提高凝聚相的阻燃效果，達(dá)到增強(qiáng)PP復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性的目的。

此外OMMT和nano-Sb 2 O 3 顆粒在PP基體中有著的異相成核作用，可以大幅提高PP復(fù)合材料的結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度。

04 磷系阻燃劑

磷系阻燃劑中山梨醇作帶有大量的羥基，在燃燒時(shí)易形成炭化層，而聚磷酸銨受熱時(shí)刻分解產(chǎn)生磷酸類化合物，進(jìn)一步增強(qiáng)山梨醇的炭化作用，炭層的產(chǎn)生則延緩了熱量的傳播，并隔絕了氧氣，提高了材料的阻燃性能。

此外山梨醇作為外殼能夠起到良好的分散作用，阻礙了MCAPP顆粒的聚集，而較好的分布可同時(shí)提高材料的阻燃性能和力學(xué)強(qiáng)度。

SPDEB與聚磷酸銨復(fù)配，作為阻燃劑共同改善PP材料的阻燃性能。體系中SPDEB受熱會(huì)分解出氨基自由基和烷基自由基，兩者能夠捕捉聚合物熱分解產(chǎn)生的高活性自由基，阻斷了PP鏈分解，減少了可燃性物質(zhì)的產(chǎn)生，從而起到延緩和終止燃燒的作用。

當(dāng)SPDEB與聚磷酸銨共同使用時(shí)，聚磷酸銨能夠促進(jìn)SPEDB脫水成炭，并固化其炭層，可減少燃燒時(shí)炭顆粒的漏出，減少可燃性氣體的排放。

05 氮系阻燃劑

MPP在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可燃?xì)怏w（包括NH 3 、NO和H 2 O）和一些含磷物質(zhì)，而AP在高溫下能釋放出磷酸鋁 Al 2 （HPO 4 ） 3 和磷化氫（PH 3 ）氣體，這些氣體不僅可以稀釋空氣中的可燃?xì)怏w，還能在材料表面起到氣體屏蔽作用，從而減少燃燒。

此外，這MPP可以將磷-氧反應(yīng)性自由基揮發(fā)到氣體中，捕獲高活性自由基，從而終止PP的主鏈斷裂。

超分子自組裝是一種利用氫鍵和離子相互作用等非共價(jià)鍵合成具有特定功能、明確結(jié)構(gòu)化合物的方法。在APP@MEL-TA體系中，MEL-TA通過靜電作用與聚磷酸銨相互連接，使其覆蓋在聚磷酸銨表面，從而改善聚磷酸銨在PP材料中的分散性。

同時(shí)MEL-TA具有較高的含氮量，受熱分解放出大量的不可燃?xì)怏w，這些氣體覆蓋在材料表面會(huì)減少材料表面的氧氣的濃度，能進(jìn)一步提高阻燃能力。

06 膨脹型阻燃劑

NiCo 2 O 4 具有形貌可控、比表面積大、活性位點(diǎn)多、制備方法簡(jiǎn)便多樣等優(yōu)點(diǎn)，它作為鎳基化合物，具有出色的碳催化能力，既減少燃燒產(chǎn)物和提高阻燃性的功能。

這主要?dú)w功于Ni+的存在，它能加速PER的熱分解并增強(qiáng)聚磷酸銨的炭化，有助于PP/IFR體系形成膨脹炭層，同時(shí)雙金屬氧化物在高溫下具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和強(qiáng)催化能力，能夠促進(jìn)PP/IFR材料形成致密均勻的炭層，并提高炭層和炭渣的熱穩(wěn)定性。

此外花狀NiCo 2 O 4 具有大量褶皺，與聚合物接觸面較大且粗糙，增強(qiáng)了結(jié)合力，且花狀結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能避免其在加工過程被損壞，保持結(jié)構(gòu)的完整性。

同時(shí)在燃燒過程中的成炭物質(zhì)可固定在花狀結(jié)構(gòu)之間，提高炭層的穩(wěn)定性，從而有效地發(fā)揮阻隔作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)基材的阻燃和保護(hù)。

OS-MCAPP是一種經(jīng)SiO 2 凝膠處理的APP，在作為氣源和酸源的同時(shí)，也能幫助PP形成保護(hù)性炭層，并保護(hù)PP基體免受進(jìn)一步分解。PEIC作為一種優(yōu)異的炭源，它的存在對(duì)形成高質(zhì)量的膨脹炭，促進(jìn)獲得優(yōu)良的阻燃復(fù)合材料起到了很大的作用。

PPA-C在燃燒過程中與PER反應(yīng)形成P-O-C鍵和P-C鍵，這有助于形成幾乎沒有缺陷的炭層。此外，PPA-C可以使PP提前熱分解，在高溫下形成更多的焦炭殘留物。

同時(shí)PPA-C和PER具有良好的協(xié)同作用，PPA-C/PER的阻燃性優(yōu)于傳統(tǒng)的APP/PER體系。當(dāng)PPA-C/PER（3:1）的含量達(dá)到18wt%時(shí)，PP/IFR復(fù)合材料達(dá)到UL-94測(cè)試中的V-0等級(jí)，極限氧指數(shù)可達(dá) 28.8%。

三 阻燃PP材料在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用

PP塑料密度低、透明度好、無毒無味、易加工成型、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使其在包裝領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，但PP塑料易燃、耐高溫性能較差等缺陷限制了它在包裝領(lǐng)域的發(fā)展。 因此近年來，眾多學(xué)者致力于研究具有高阻燃性能的PP包裝材料。

01 汽車電池外殼

電池是新能源汽車最為重要的部件之一，同時(shí)負(fù)責(zé)保護(hù)電池安全的電池外殼也尤為重要，要求電池包裝具有絕緣、耐沖擊、防腐蝕、阻燃性能好等特性，傳統(tǒng)的電池包裝主要為金屬材料和片狀模塑料（SMC）材料。但這兩種材料有的成型工藝復(fù)雜且密度大，對(duì)新能源汽車的輕量化造成了影響，因此低密度、耐沖擊性好的PP材料受到了人們的關(guān)注。

以PP樹脂為基體，聚磷酸銨/三嗪類復(fù)配體系為阻燃劑，乙烯-辛烯共聚物、丙烯基彈性體和三元乙丙膠為增韌劑，通過熔融共混法制備出一種具備阻燃性能的PP材料，將其作為新能源汽車電池外殼。此PP材料在保持低密度的同時(shí)也具有良好的阻燃性能和耐沖擊強(qiáng)度，且密封性好，防水性能強(qiáng)，現(xiàn)已批量投入生產(chǎn)。

02 零部件包裝

對(duì)堿式硫酸鎂晶須（MHSH）和氧化鋁（Al 2 O 3 ）進(jìn)行改性，將交聯(lián)劑KH-550引入兩者表面，再加入氮-磷復(fù)配阻燃劑和PP基體，通過熔融共混法制備了PP/MHSH/Al 2 O 3 /N-P復(fù)合材料，并進(jìn)一步加工成膜。

其中氮-磷復(fù)配阻燃劑除了在高溫下促進(jìn)PP基體形成膨脹炭層外，還能與MHSH反應(yīng)生成具有良好熱穩(wěn)定性的磷酸鎂鹽，而磷酸鎂鹽的存在能夠增強(qiáng)膨脹炭層的強(qiáng)度，對(duì)其起到骨架支撐作用。

而Al 2 O 3 的加入能提高材料的導(dǎo)熱能力，使材料內(nèi)部熱量快速傳遞到表面，起到散熱作用，從而提高材料的耐熱性。同時(shí)MHSH和Al 2 O 3 為剛性填料，有良好的力學(xué)強(qiáng)度，能夠提高PP/MHSH/Al 2 O 3 /N-P復(fù)合膜的力學(xué)性能。因此PP/MHSH/Al 2 O 3 /N-P復(fù)合膜同時(shí)擁有優(yōu)異的阻燃性能和較高的力學(xué)強(qiáng)度，擴(kuò)大了PP復(fù)合材料的適用范圍。

03 食品餐盒

以聚磷酸銨為氣源和酸源，三嗪類成炭劑為碳源，再配以協(xié)效劑，共同組成IFR，再將其與潔凈處理后的回收聚丙烯餐盒通過熔融共混法制備出具有高阻燃性能的PP復(fù)合材料，證明了PP餐盒在循環(huán)利用方面有著巨大的潛力。

四 PP阻燃目前存在的問題

近年來有越來越多的人開始研究阻燃PP復(fù)合材料，但是PP的阻燃研究的主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）阻燃劑添加量大，與基體相容性差，對(duì)材料的力學(xué)性能造成太大的損害，影響了PP復(fù)合材料的使用；

（2）目前阻燃效率高的阻燃劑大多數(shù)都含鹵素，不符合綠色環(huán)保的要求；

（3）阻燃劑價(jià)格較為昂貴，提高了阻燃PP材料的生產(chǎn)成本。

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